我們是否已盡全力保護地球免受小行星撞擊？

在2020年12月1日拍攝的阿雷西博射電望遠鏡的影片的前幾秒鐘，一切看起來都很正常。當然，支撐纜繩在前一年的8月和11月斷裂，損壞了300米寬的碟形天線。而且當然，國家科學基金會已經計劃讓阿雷西博退役，這臺儀器於1963年開始掃描天空。所以對於這臺望遠鏡來說，情況並不樂觀。但至少它還在那裡。

這種情況在上午8點前發生了改變，彷彿接到命令一般，一縷塵土從一個支撐柱中噴出。事實證明，那是一根纜繩開始斷裂。由於額外的負荷，其他纜繩也開始斷裂。很快，曾經懸掛在碗狀天文臺上的巨大裝置平臺開始傾斜。在痛苦地向下擺動後，平臺墜毀。更多的纜繩斷裂，碎片像拆遷一樣飛散。在影片的結尾，標誌性的望遠鏡上可以看到巨大的洞，塵土在四周升騰。阿雷西博，至少在科學家們所知的意義上，已經消失了。

當月球與行星研究所的科學家埃德加·里維拉-瓦倫丁（Edgard Rivera-Valentín），也是阿雷西博行星雷達小組的前成員，點選觀看影片時，他們只能忍受幾秒鐘。他們花了幾天時間才看完完整的兩分鐘。“當一切都崩潰時，那是——我用‘悲劇’這個詞，”里維拉-瓦倫丁說，他是波多黎各本地人。

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阿雷西博在科學發現方面有著悠久而傳奇的歷史，研究太空天氣、尋找外星生命、為脈衝星測時、繪製中性氫氣地圖。但它也有一個非同尋常的聲譽：它擁有世界上最強大、最靈敏和最活躍的行星雷達系統。該雷達可以穿透金星濃厚的大氣層，繪製火星塵土飛揚的表面地圖，但它也有助於保護地球免受小行星的撞擊。資料顯示了這些岩石的詳細資訊，揭示了它們是否可能構成威脅，並幫助人類弄清楚，如果小行星正朝我們飛來，他們可以合理地做些什麼。“進行雷達探測的妙處之一是，你正在積極地保衛整個地球，”里維拉-瓦倫丁說。“所以如果有人問你，‘我為什麼要關心？’，那就好像在說，‘我將確保小行星不會來找你。’”

阿雷西博的雷達工作屬於“行星防禦”的範疇：即識別和防止小行星（和彗星）與地球之間潛在碰撞的嘗試，理想情況下，我們希望地球保持完整。

在任何一天，太空岩石毀滅性地撞擊地球的可能性都很低。但這種災難的後果將是嚴重的。我們太陽系的歷史——行星表面佈滿隕石坑、最近記憶中其他行星上的撞擊事件、巨大的物體呼嘯著穿過地球大氣層並被行車記錄儀捕捉到——都證明了一個統計學真理，即在任何一天都不太可能發生的事件，在足夠多的日子裡確實會發生。這就是為什麼美國國家航空航天局（NASA）設立了一個專門的辦公室來解決這個問題；為什麼許多天文設施收集預防性資料；以及為什麼即將到來的太空任務將演示，如果太空岩石真的來襲，地球人可以做些什麼。

但這一切都足夠嗎？隨著阿雷西博及其雷達的退役，我們的行星防禦武器庫變得不足。美國和其他國家正在評估風險，集思廣益尋找新的方法來保持領先於威脅，並制定可能在未來採取的行動計劃。

計算太空岩石

行星防禦一直受到“笑柄效應”的困擾。畢竟，小行星引發的末日似乎是科幻電影的素材，而不是嚴肅的科學。但在1994年一顆名為蘇梅克-列維9號彗星徑直衝向木星之後，官員們開始更多地關注這個問題。琳達·比林斯（Linda Billings）是美國宇航局行星防禦傳播工作的顧問，她記得這兩者相撞的時刻。1994年7月21日——一系列撞擊事件開始後的幾天——她去了華盛頓特區海軍天文臺的開放日，在那裡，天文愛好者可以觀測木星。在天文臺外的草坪上，業餘天文學家們用自己的儀器對準這顆傷痕累累的行星。木星的引力將彗星撕裂成碎片，這些碎片湧入行星漩渦狀的大氣層，溫度高達40000攝氏度，並將3000公里高的物質羽流噴射到太空。“我們有確鑿的證據表明撞擊事件會發生，”比林斯輕描淡寫地說。

不久之後，美國空軍官員釋出了兩份報告，《太空展望2020》（SpaceCast 2020）和《空軍2025》（Air Force 2025），內容是軍方在未來幾十年內可以或應該採取哪些措施來減輕太空岩石的威脅。太空撞擊是一個國家安全問題。第一份報告旨在弄清楚美國如何保持在太空中的“制高點”，報告中創造了“行星防禦”這個術語。第二份報告的目標也大致相同，兩者都描述了小行星探測和減緩，後者指的是在威脅出現時消除威脅的努力——例如，透過用航天器撞擊小行星或在附近引爆核武器來轉移小行星。

那時，現在因行星保護工作而聞名的科學家們是空軍的一部分——例如，林德利·約翰遜（Lindley Johnson），現在是美國宇航局行星防禦協調辦公室的專案主管（也是SpaceCast相關部分的作者），以及皮特·沃登（Pete Worden），美國宇航局艾姆斯研究中心的前主任。他們和他們的同事警告說，文明有變成隕石坑的風險。但特別是在9/11事件之後，這個問題並沒有像許多人希望的那樣受到重視。約翰遜於2003年從現役退役。“美國宇航局說，‘過來吧。我們有份工作給你，’”他說。他的職責之一是負責美國宇航局的近地天體觀測計劃。今天，在很大程度上是約翰遜努力的結果，該計劃已經發展成一個完整的行星防禦協調辦公室，他是該辦公室的負責人。“坦率地說，一次未預警的撞擊將是我們見過的最大的自然災害，”約翰遜說。他的辦公室希望使任何假設的撞擊成為可以避免的事件。

為了實現這一目標，美國宇航局的辦公室執行小行星資料收集計劃，部分依賴於廣域光學和紅外望遠鏡，這些望遠鏡可以觀測廣闊的天空。亞利桑那大學和夏威夷大學執行的天文臺與約翰遜的辦公室合作，將其現有的望遠鏡改造成哨兵。該小組還在廣域紅外巡天探測器（WISE）於2011年最初退役後的幾年裡，將其改造成近地天體WISE（NEOWISE）。NEOWISE最近完成了其第14次全天巡天，目前正在進行第15次巡天。

與此同時，麻省理工學院林肯實驗室的林肯近地小行星研究（LINEAR）軟體目前安裝在澳大利亞一個名為太空監視望遠鏡（SST）的空軍資產上。該軟體使這座軍事天文臺成為世界上最高產的小行星搜尋儀器（以某些指標衡量）。它已經發現了142個以前未知的近地天體、4個潛在危險天體和8顆新彗星。

這很棒，但不如國會希望的那麼好。目前的官方任務是發現90%的直徑為140米或更大的天體——根據約翰遜的說法，這個尺寸的撞擊會導致“在任何地方都是非常糟糕的一天”。據估計，大約有25000個這樣的壞傢伙。“我們正在接近目標，也許到今年年底，我們將發現其中的10000個，”他說。這是20年努力的40%完成率。總的來說，科學家們已經發現了超過25000顆任何尺寸的近地小行星，其中大約19000顆被鏡頭捕捉到的直徑大於30米。

取代阿雷西博

在全球範圍內，30個太空組織——遍佈從拉脫維亞到哥倫比亞，從中國到以色列，包括敬業的業餘愛好者、國家航天機構和各個天文臺——參與了國際小行星預警網路。該組織是在聯合國建議下成立的，旨在協調我們脆弱星球上的觀測和響應工作。自2016年以來，它已經記錄了300多次近距離接近事件，即小行星預計將在一個地月距離——地球和月球之間的平均距離——範圍內接近地球中心。它還協調了三次演習活動，以實踐“可能應用於在相當短的時間尺度上接近地球天體的觀測資源和特徵描述能力”。

這很有用，因為當發現近距離逼近天體時，工作並沒有結束。位於夏威夷、新墨西哥州和亞利桑那州等地的地面光學和紅外望遠鏡會進行後續觀測，以瞭解更多關於這些天體的資訊，而不僅僅是它們的存在。行星雷達通常也在其中發揮作用，以改進新發現小行星的軌道，並預測它們未來的路徑——繪製出這些天體未來幾年的執行軌跡，以及它們是否可能與地球相交。雷達還有助於辨別小行星的形狀、成分和軌跡。

阿雷西博的雷達觀測工作原理如下：如果你向目標物體發射強大的無線電波，它們會反射回來，並因物體的自轉、運動、形狀和大小，以及小行星可能擁有的任何衛星而發生改變。它們返回所需的時間也揭示了物體與地球的精確距離。有了所有這些資訊，你就可以改進它的軌道，並預測它在遙遠的未來的位置，以及那個“位置”是否包括艾奧瓦州。你還可以瞭解它的屬性——如果你必須改變它的軌道，這將很有用。它是緻密的嗎？多孔的嗎？圓形的嗎？花生狀的嗎？“當我們記錄下返回的回波時，如果它與我們發射的訊號有任何不同，我們就知道那是由於目標的屬性造成的，在這種情況下，目標就是小行星，”月球與行星研究所的高階科學家帕特里克·泰勒（Patrick Taylor）說，他曾擔任阿雷西博雷達計劃的小組負責人。

獲得雷達觀測就像從地面安全地拍攝小行星的照片。“這有點像以極低的成本對航天器進行飛掠，”亞利桑那大學的艾倫·豪厄爾（Ellen Howell）說。“我們得到了它們作為單個岩石的照片，而不僅僅是光點。”這非常重要，因為正如行星科學家們喜歡說的那樣，如果你見過一顆小行星，你就只見過一顆小行星。豪厄爾說，隨著阿雷西博的隕落，“這種能力現在已被嚴重削弱。”這種觀測現在、預測未來，然後改變未來的能力，可以將我們與過去那些可憐的傢伙區分開來，他們只能承受來自太空的任何打擊。“恐龍沒有太空計劃，”里維拉-瓦倫丁說。“但我們有。”

阿雷西博並不是美國唯一的行星雷達。還剩下一個——加利福尼亞州的戈德斯通太陽系雷達——但它探測到的近地小行星不到阿雷西博的一半。即使戈德斯通是完美的儀器，也會發生意外，如果它停運——就像在阿雷西博坍塌前大約18個月的維護期間那樣——這個星球將不得不在太空中飛行，而看不到以前那麼多的東西。“失去阿雷西博將使人們更多地思考下一步會是什麼，”泰勒說。“無論那是什麼，我也不知道。”

科學家們有一些想法。有些人希望建造阿雷西博2.0，在同一個島嶼地點合成許多較小的碟形天線，作為一個更大的碟形天線協同工作，從而恢復雷達能力。在西弗吉尼亞州的綠岸天文臺，科學家們剛剛與國防承包商雷聲公司進行了自己的演示，向月球發射雷達訊號，並在美國各地的天線（甚長基線陣列）上接收反射訊號，該陣列從新墨西哥州執行。他們希望這將為建立一個功能更強大的裝置鋪平道路，該裝置可以進行小行星探測工作。“綠岸天文臺的升級方案聽起來對我來說很棒，”比林斯說。“但它尚未獲得資助。”

即使獲得資助，亞利桑那大學的邁克爾·諾蘭（Michael Nolan）也懷疑綠岸天文臺能否取代阿雷西博的能力。從一個地點發射，在另一個地點接收是一種資料密集型的方法，而從綠岸天文臺同時進行發射和接收也有其自身的問題。“我沒有看到我目前看到的任何東西會成為主力系統，”他說。例如，阿雷西博的假想替代品也沒有獲得資助。

而做什麼的問題只是第一個障礙。還有一個更大的問題是誰應該來做。一些專家認為，科學界單獨承擔這個負擔太重了。他們說，也許這項任務應該落在一個在長期規劃方面擁有豐富經驗，更重要的是，擁有穩定資金的組織身上。換句話說，就是國防部——特別是其新成立的太空部隊。

阻止小行星

太空部隊是軍隊的一個新分支，主要處理衛星及其安全保障，旨在跟蹤從這裡到月球的大大小小的物體，隨著國際和商業活動——衛星、航天器、軌道製造系統、按次付費旅行——的增加。這項總體努力被稱為空間態勢感知，通常由光學儀器和遠端雷達執行。雖然雷達正在監測軌道上的活動，但它也可以探測到恰好以與衛星相同的方向（但希望距離遠得多）在太空中飛馳的小行星。美國宇航局和太空部隊官員一直在討論合作建立這樣一個雙贏的系統。“這不僅僅是集思廣益，但我們尚未確定具體的概念，”約翰遜說，並指出討論仍在進行中。2020年，這兩個組織簽署了一份諒解備忘錄，同意在某些方面進行合作——包括行星防禦和空間態勢感知。太空部隊將關於合作的問題轉回給了美國宇航局。

然而，有些人希望擴大軍事參與的想法。美國外交政策委員會高階研究員、空軍大學太空視野研究工作組前主任彼得·加勒森（Peter Garretson）希望看到軍方領導行星防禦工作，特別是減緩工作。“美國宇航局主要是一個科學和探索機構。在我看來，這顯然是一項防禦任務，”加勒森說。“你不是為了科學而轉移小行星。”

實際上，沒有聯邦組織專門負責轉移小行星。但人們仍然在為此努力。能源部是深入參與這項工作的一個機構——你知道的，就是那個擁有核武器的部門。在洛斯阿拉莫斯國家實驗室，凱茜·普萊斯科（Cathy Plesko）從事小行星減緩研究。她透過使用計算機模型研究火星上的撞擊坑而進入行星防禦領域。“但是你如何阻止形成隕石坑呢？”她想知道。有一天，實驗室的一位資深天體物理學家說，他認為她用來模擬隕石坑的同類程式碼也可以用來模擬小行星減緩：它們將顯示小行星在受到撞擊時的反應——而不是它撞擊某物時的反應。這正是她想知道的停止方法。

她開始研究這個問題，但實驗室的工作並不廣泛——直到2013年2月。那個月，一顆20米寬的小行星尖嘯著穿過大氣層，並在俄羅斯車里雅賓斯克州上空近30公里處爆炸，威力相當於約450千噸TNT當量，造成1600人受傷。與蘇梅克-列維9號彗星事件一樣，官員們睜大了眼睛。普萊斯科的團隊加速運轉，並與美國宇航局一起開始爭分奪秒地瞭解，如果更大更糟糕的東西來襲，他們需要解決哪些物理問題。這項工作始於揭示小行星是由什麼構成的，這是一個出乎意料的難題，而雷達提供了最佳的地球觀測解決方案。“它們是瓦礫堆嗎？它們有點像泥球嗎？它們是鐵塊嗎？”普萊斯科問道。“種類繁多。”這種多樣性使模擬變得困難。如果你在計算機上模擬一架飛機，你確切地知道它的密度和形狀。“我們沒有小行星和彗星的這些規格，”她說。“這是我們必須弄清楚的事情。”

今天，普萊斯科正在研究各種可能性，以將不同型別的小行星從地球上移開。一種選擇被稱為引力拖拉機。你儘可能地靠近一顆太空岩石飛行儘可能重的航天器。“你的航天器可以在一段時間內將小行星或彗星引離其原始軌道，”她說。但這需要數十年的誘導，她估計，這項技術在一個世紀左右的時間裡還無法準備就緒。

一些科學家已經研究過使用附著在小型航天器上的雷射來加熱物質並使其汽化，將其從表面丟擲，從而——每個作用力都會產生另一個大小相等、方向相反的反作用力——將小行星向另一個方向推動。更直白地說，人們也可以在小行星撞擊地球之前用航天器撞擊它。或者：用鏡子照射它，聚焦太陽光線，直到它脫落物質。用火箭移動它。給它塗漆以改變其熱效能，從而改變其軌道。普萊斯科作為能源部的一員，也在研究更具爆炸性的選單選擇：“核對峙爆炸”。這意味著在近地天體附近引爆核武器，轉移能量並丟擲一些物質。就像其他技術一樣，這也可以改變岩石的軌道，只不過效果更強，你知道的，更強有力。但對在小行星表面或表面以下爆炸炸彈的研究表明，它們可能會分裂成更小的碎片，從而帶來自身的問題。無論如何，考慮到核彈的性質以及國際上禁止在太空部署大規模殺傷性武器，這個選項很快就會變得複雜。一個國家可能會以“為小行星做準備”為藉口進行核擴散；此外，小行星是一種全球威脅，但一個國家將使用自己的武庫來對抗它。“沒有人會對此掉以輕心，”普萊斯科說。

每兩年，全球社群都會上演一場《龍與地下城》式的角色扮演遊戲，在遊戲中，各機構會模擬他們對虛構的行星防禦情景的反應。關於“撞擊情景”的資訊會提前在網上釋出，每天都會在PPT風格的簡報中透露更多資訊。2019年，在與會者到達會議之前，他們就知道一顆直徑在100到300米之間的岩石在未來八年內有1%的機會撞擊地球。到第三天，他們知道它長260米，寬140米，筆直地朝著丹佛方向飛去。

當該小組制定了一項轉移問題物體的任務時，一塊60米寬的脫落碎片仍然朝著曼哈頓方向飛去。角色扮演者切換到災難處理模式，研究如何疏散，如何處理化工廠和核電站，以及經濟後果會是什麼樣子。遊戲玩家今年（透過視訊會議）重返桌面，調查一顆可能在短短六個月內來襲的小行星。整個演習“讓人對做事情需要多長時間有一個現實的認識，”普萊斯科說。這不像好萊塢電影那樣，她補充說，好萊塢電影更像是，“發現了一顆小行星；讓我們發射東西。”儘管如此，以有意義的方式做出反應是人類可以完成的事情，即使比螢幕上慢得多。

試執行

很快，一項大膽的任務將測試我們在太空中移山填海的能力。雙小行星重定向測試（DART）計劃於2021年末或2022年初發射，旨在證明我們可以像改變一個任性青少年的道路一樣改變小行星的路徑。約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的安德魯·裡夫金（Andrew Rivkin）是該任務調查小組的負責人之一，他開始研究小行星是為了基礎科學——“太陽系起源”之類的東西。“無論你想回答什麼問題，它最終都會以某種方式回到小行星，”他說。此外，他補充說，你可以在eBay上購買它們的一些碎片。

或者你可以建造一艘航天器來推動一顆小行星，正如裡夫金現在正在做的那樣。DART將前往雙小行星系統Didymos，該系統有一顆名為Didymos的大型小行星和一顆名為Dimorphos的小衛星。然後，航天器將撞擊這顆衛星，改變其繞其較大的同胞星執行的軌道，從而改變較大的同胞星繞太陽的運動。這艘610公斤的航天器將以每秒6.58公里的速度撞擊48億公斤（“小”）的Dimorphos，（科學家們認為）將其軌道週期改變約10分鐘。由於Dimorphos本身的大小相當於一顆可能危及城市的小行星，科學家們希望看到他們能多好地將動量從航天器轉移到太空岩石上。這是中等規模的減緩選項，介於“你要麼用核武器炸它，要麼躲在地下室裡”之間，正如裡夫金所說。它也是透過製造撞擊來防止撞擊。這種通用技術也適用於單小行星系統——你可以用航天器撞擊一顆孤立的小行星——但科學家們有充分的理由選擇雙星系統進行這項測試：因為你可以即時觀察衛星在較大的小行星前面經過，因此很容易測量你改變衛星軌道多少。

科學家們將在2022年撞擊前大約一個月首次看到該系統——作為一個畫素。“我們試圖引導到那個畫素，”APL的任務系統工程師埃琳娜·亞當斯（Elena Adams）說。在到達前一小時，他們將瞥見衛星並開始向其導航。“然後砰，我們失去所有聯絡，這很好，”亞當斯說。這意味著事情已經爆炸了。（“有人花錢讓你做這個，對吧？”亞當斯歡呼雀躍。“你可以摧毀一艘價值2.5億美元的航天器！”）

該團隊希望戈德斯通雷達以及太空望遠鏡也能觀看這場表演。“我們曾希望阿雷西博也能做到，”裡夫金悲傷地說。收集到的資料，包括當時和事後的資料，將被輸入到未來普萊斯科等科學家使用的模型中，以確定如何應對實際的小行星威脅。“像DART這樣的專案，它們是為以防萬一我們真的發現什麼東西而準備的保險，”裡夫金說。人們為火災保險和洪水保險付費；他們檢查地下室是否有氡氣。“我們希望並期望氡氣測試不會發現任何氡氣，房子也不會著火或被淹，但我們正在盡我們應盡的職責。”

儘管裡夫金很高興人們不再認為行星防禦是一個笑話，而是可以理解宇宙保險的效用，但他告誡不要對太空岩石感到焦慮。“如果人們因為小行星而夜不能寐，我希望他們是在思考所有酷炫的科學，”他說。事實上，正是科學——弄清楚如何探測、跟蹤、預測和描述這些孤獨的旅行者——使整個行星防禦成為可能。反過來，行星防禦使人類能夠從宇宙中奪回一些控制權。“這是我們人類作為一個物種第一次有機會阻止一場自然災害，”普萊斯科說。“我們無法阻止颶風或預防地震。我們不能只是用強力膠把聖安德烈亞斯斷層粘合起來。”但是阻止一顆行星殺手呢？“如果我們需要這樣做，”她說，“我真的相信我們可以做到。”

編者注（2021年5月20日）：本文在釋出後進行了更新，以包括安德魯·裡夫金和埃琳娜·亞當斯的隸屬關係。